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国内外供水管网漏损检测技术及管理策略

来源:时间:2018.06.08 04:36

对于水务公司而言,探索有效的漏损检测方法是漏损率管理中的重要环节。但一些传统的漏损检测方法,如音听法、声波法等,不仅耗时而且人力成本较髙,对于城市规模大、管网结构复杂的供水系统,上述方法的应用效果十分有限。近年来,有越来越多的研究投入到管网漏损检测方法的开发中。

采用多级支持向量机识别泄漏区域

采用一种多级支持向量机的方法来识别管网系统的漏损区域。支持向量机(SVM)方法是一种能根据有限的样本信息在模型的复杂性( 即对特定训练样本的学习精度) 和学习能力( 即无错误地识别任意样本的能力) 之间寻求最佳方案的方法。SVM可通过在分区计量区域(DMA)的入口处处理流量、压力等系列数据来测定该区域是否存在爆管、泄漏、传感器故障等异常情况。在此基础上,M-SVM可用于多处DMAs的漏损检查和判定分类。


实际应用操作过程中,首先通过仿真将管网分为若干漏损区域;其次在不同区域内随机生成若干处漏损事件,供水力仿真模型分析学习,得到漏损数据作为训练样本;再次训练M-SVM建立漏损区域识别模型,最后将训练后的M-SVM用于分析待检范围内观测得到的流量和压力数据,从而鉴别出可能存在漏损的区域。采用该漏损区域识别法,结合压变漏损检测法,对大范围的实际供水系统进行漏损检测,能将漏损范围缩小到漏损点附近小区域的管网,再用管道检测设备对该区域进行检查,可迅速定位漏损位置,大大节省了时间和人力。

采用瞬变时间- 频率分析法检测供水管线中的多故障

瞬变管道故障检测也是供水管网无损检测技术中应用较为广泛的手段,其原理是检测管道内水流的瞬态水力学特征来识别管网系统中潜在的故障。


管网中的水流产生的瞬态压力波信号包含了水流在管网中流动和接触管道组件、设备或管道故障如漏损、阻塞、异常分流或连接等状态下的大量系统信息,可用于评估管网系统的物理结构变化,一旦管网出现漏损,时域压力波就会出现反常的反射和衰减;而管网阻塞和异常连接等则会使频域压力波产生不同的频率位移和衰减。然而该方法目前主要用于一些结构简单、构型已知的单一或混联管网的故障检测,且其故障类型也须为已知;对于具有多种未知故障类型的复杂混联管网,其应用较为有限。

基于累计求和和多尺度小波分析的组合方法检测漏损

爆管造成的水流量漏失较大,当其超过平均流量的20%时,就能被较为容易地检测到;而对于泄漏水流来说,其流量远小于平均流量,检测较为困难,传统方法只有在夜晚其他干扰较小的情况下才能被检测到。


为此,提出一种基于累计求和的检测方法,当发生爆管时压力突然增大,其产生的峰超过人为设定的阈值,cusum可通过算法检测到爆管和多尺度小波分析法通过将压力的测定分解为4个级别的系数来检测爆管,作为检测小流量泄漏的稳健方法。该方法克服了因人为设定阈值不明确而可能在噪声信号较大的条件下稳健性下降的问题,以及MWA法因时间信息的缺失而可能使每个感应器在估算泄漏效应的到达时间时精度下降的问题,并且引人了置信界限使得cusum法和MWA法的定位方法更符合实际情况。


确定最经济漏损控制目标的研究


由于漏损控制需要投人大量的人力和物力成本,如管网的日常维护和修复、设备的改进和更替等,这必然导致更高的漏损控制目标将需要更高的运维成本,造成高昂的代价和与之不匹配的漏损控制收益之间的矛盾。因此,通过科学的经济学研究,寻找到最为适宜的漏损控制目标非常关键。最新的文献报道国外研究机构正在探索影子价格法和生命周期评估法在这方面的应用。 

影子价格法

智利的一项研究采用影子价格法来开展管网漏损经济评价方法的建立。根据2010-2014年智利22家水务公司的运行成本(如商业成本、能源成本、资源成本以及水处理成本等)、工人总数、总输水量以及漏损量等数据,通过计算管网漏损的影子价格来推算其消耗的环境和资源成本,并从水务公司、政府和社会三方面来分别计算分析方法的敏感性。


结果表明,2014年漏损的平均影子价格约为0.23 欧元/平方米,即供水系统每损失1立方米的水,消耗的环境和资源成本约为0.23欧元,约占输水价格的31.7%。然而,不同的水务公司受地理位置、运营成本、经营状况等原因影响,算得的漏损影子价格差异较大;敏感性分析显示从水务公司角度、政府和社会角度计算得到的影子价格也不尽相同。这项研究的核心价值在于提出了更为科学和经济的漏损控制目标的确定方法,有利于帮助政府制定配套的奖励机制来促使水务公司更有效地减小漏损率,放缓水资源的投资开发,同时也拓宽了水价制定的考量范畴,使其更为科学合理,值得国内供水行业借鉴。

生命周期评估法

降低管网漏损率对于水资源的可持续管理固然具有重要的意义和价值。而对于“是否有必要采取措施使其越小越好”的质疑,法国专家根据环境保护的广义目标,提出了一个课题:为减少漏损率所采取的措施,如工程建设、设备运行等,同样会对环境造成一定影响;那对于法国这样一个大部分地区水资源充沛的国家来说,相比节省了水资源所带来的收益,减少漏损率的投人是否值得呢? 或者说,将漏损率减少到何种程度时,两者加和的环境效益是最佳的呢?


研究采用生命周期评估法,对两方面的环境影响进行了比较:生产和供应当中未能最终到达用户而损失的水,以及为降低漏损率而采取的措施。LCA法根据四个步骤来评估环境影响:目的与范围确定、清单分析、影响评估和解释说明。研究根据法国一个自来水公司的实际案例,假设了一个含4个漏损控制阶段的场景,每个阶段的持续时间为5年,期间分别采取一定的常见漏损控制措施来使得供水效率达标;每一阶段的供水效率逐级提高,上一阶段所最终达到的标准为下一阶段的初始值。研究通过考量每一阶段所节约的漏损总水量、所用措施的生命周期、不确定度等,采用LCA法得到最终的评估结果比较。